聚砜-纳米Al-2O-3共混超滤膜的制备与表征

··················研究与开发收稿日期：2009－01－10聚砜-纳米Al2O3共混超滤膜的制备与表征于媛马彩莲宋任远李东亮韩世波（西安建筑科技大学理学院，西安710055）摘要以无机纳米Al2O3粒子作为共混剂与聚砜共混，采用相转化法制得分散均匀的聚砜-纳米Al2O3共混超滤膜。用扫描电镜观察膜表面微观结构及孔分布，测定了膜的孔隙率、纯水通量，并研究了其机械柔韧性能。结果表明，在聚砜膜中适量地添加纳米Al2O3粒子，可改善其亲水性和机械柔韧性能。当添加的Al2O3的质量分数为3%时，膜的水通量和孔隙率最大。关键词聚砜；纳米Al2O3；共混；超滤膜；亲水性中图分类号TQ326.55文献标识码A文章编号1006-6829(2009)02-0024-03高分子有机聚合物聚砜（PSU）是目前工业上应用最广泛的超滤膜材料，它具有廉价易得、机械强度高、耐辐射性、宽pH使用范围（1～13）、化学稳定性及耐热性好等诸多优点[1-3]，但表面能低、亲水性差的缺点也是人所皆知的。其危害主要为：疏水溶质易在膜表面产生吸附和沉积，使膜孔受阻，造成膜污染，膜的性能降低，使用寿命缩短[4]。因此对PSU膜的改性已成为人们关注的热点。目前高分子膜改性的主要方法有共混、共聚和表面活性剂改性等，而共混改性以其操作简便、效果好而受到青睐[5-7]。纳米Al2O3具有无毒、廉价、耐高温、高活性及超亲水性等优点[8]。本研究是将具有亲水性的纳米Al2O3引入PSU铸膜液中，采用L-S相转化法制备分散均匀的PSU-纳米Al2O3共混超滤膜，并考察了纳米Al2O3的加入量对膜结构和性能的影响。1实验部分1.1仪器与试剂ESJ60-4型电子天平，PZKW-4型电子恒温水浴锅，SB4200DTD型超声波震荡器，KTQ-Ⅱ型可调式涂膜器，LRH-150型生化培养箱；膜性能测试仪（自制），JSM-6460型钨灯丝扫描电子显微镜。Ultrason3010型PSU（η=0.70），纳米α-Al2O3（80nm），工业级；无水乙醇，N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），聚乙烯吡咯烷酮（PVP），AR。1.2共混膜的制备将纳米Al2O3（质量分数分别为0，1%，2%，3%，4%），PSU（质量分数12%）和适量致孔剂PVP（质量分数4%），加入到DMAc与NMP（V(DMAC):V(NMP)=4:1）的混合溶剂中。60℃恒温水浴中充分搅拌溶解，超声波震荡20min，制成悬浮铸膜液。静止脱泡10min后将铸膜液倾倒在玻璃板上涂膜，立即放入20℃恒温的生化培养箱中静置，一段时间后将膜从板上脱除，放入凝胶浴（体积分数60%乙醇溶液）中浸泡24h，经淋洗后放入去离子水中保存。1.3分析与表征1.3.1共混膜结构表征1)膜表面形貌观察。将膜进行干燥处理，裁剪后，用JSM-6460型钨灯丝扫描电子显微镜观察平板膜喷金后的表面微观结构。2)膜孔隙率（Pr）的测定。根据下式计算Pr：Pr=(mw-md)100%/(S·d·ρm)。式中：mw和md分别为湿膜和干膜的质量，S为膜面积，d为膜的平均厚度，ρm为水的密度。1.3.2共混膜性能表征1)膜的超滤性能。将不同纳米Al2O3含量的膜分别放入膜性能测试仪中，测试面积为13.2cm2，在室温条件下，0.1MPa预压10min，再在0.2～0.7MPa下测定膜的纯水通量。2)膜的机械柔韧性能。将长度为1cm的膜进行于媛等聚砜-纳米Al2O3共混超滤膜的制备与表征研究与开发·24·2009年第16卷第2期化工生产与技术ChemicalProductionandTechnologya.w(Al2O3)=0b.w(Al2O3)=1%10次对折弯曲，通过膜的形变测试其柔韧性。2结果与讨论2.1纯水通量如图1所示，膜的水通量随操作压力的增大而增大，而且PSU-Al2O3共混膜的纯水通量明显高于PSU膜，特别是Al2O3的质量分数为3%时，通量达到最大值；继续增加Al2O3的含量（质量分数3%以上），膜通量急剧减小。这是由于加入具有很强亲水性和大比表面积的纳米Al2O3，改善了PSU膜的亲水性，使其通量增加。但当纳米粒子含量过高时会发生团聚现象，反而降低了膜的亲水性，通量减小。图1不同操作压力对水通量的影响Fig1Theeffectofpressureonwaterflux2.2结构分析2.2.1膜微观形态分析图2为不同纳米Al2O3含量的PSU-Al2O3共混膜表面扫描电镜照片。由图2可看出，与PSU膜相比，掺杂纳米Al2O3的共混膜表面略显粗糙，孔隙率增大，并结合有亲水的纳米Al2O3粒子。当纳米粒子含量较大时（质量分数3%以上），表面可看见明显的纳米团聚现象。当纳米粒子的质量分数达到4%时，团聚现象严重，孔隙率急剧